鋁電池原理與技術

目錄 前言 第一部分 概述 第1章 鋁電池簡介 3 1.1 背景與發(fā)展需求 3 1.2 鋁電池的發(fā)展歷史 6 1.2.1 鋁–空氣電池發(fā)展歷史 6 1.2.2 水系鋁電池發(fā)展歷史 6 1.2.3 非水系鋁電池發(fā)展歷史 7 1.3 鋁電池的應用前景 9 參考文獻 10 第二部分 鋁--空氣電池 第2章 鋁--空氣電池基礎與原理 17 2.1 鋁–空氣電池概述 17 2.2 鋁–空氣電池結構與電化學 17 2.3 鋁–空氣電池性能與應用前景 19 參考文獻 19 第3章 空氣電極電化學過程21 3.1 空氣電極類型與結構 21 3.1.1 空氣電極類型 21 3.1.2 空氣電極結構與設計 22 3.1.3 空氣電極布局與結構 23 3.1.4 空氣電極存在的問題 27 3.2 空氣電極氧還原與析出過程 27 3.2.1 氧還原基本過程 28 3.2.2 氧析出基本過程 28 3.2.3 氧析出與還原過程的可能機理 293.3 空氣電極催化劑材料 31 3.3.1 貴金屬和合金催化劑(鉑基催化劑) 31 3.3.2 碳基催化劑 32 3.3.3 金屬氧化物催化劑 33 3.3.4 鈣鈦礦型氧化物催化劑 34 3.3.5 尖晶石型催化劑 35 3.3.6 金屬大環(huán)化合物 36 參考文獻 38 第4章 鋁--空氣電池用鋁負極 41 4.1 二元合金負極.42 4.1.1 鋁鎵合金負極 43 4.1.2 鋁銦合金負極 44 4.1.3 鋁錫合金負極 45 4.1.4 其他二元合金負極 45 4.2 三元、四元和多組分鋁負極 48 4.3 商業(yè)鋁負極 52 4.4 鋁負極材料加工制備 54 參考文獻 60 第5章 電解質與添加劑 68 5.1 電解質 68 5.2 電解質添加劑 69 5.2.1 無機添加劑 69 5.2.2 有機添加劑 71 5.2.3 混合添加劑 74 5.3 電解液設計與配置 76 參考文獻 78 第6章 鋁--空氣電池設計與制造 87 6.1 大功率儲能鋁–空氣電池 87 6.1.1 大功率儲能鋁–空氣電池系統(tǒng) 87 6.1.2 大功率儲能鋁–空氣電池設計 89 6.1.3 鋁–空氣電池運行 91 6.2 可穿戴柔性鋁–空氣電池設計與組裝 92 6.2.1 紙片柔性鋁–空氣電池 92 6.2.2 固態(tài)電解質柔性鋁–空氣電池 96 6.3 多功能組合鋁–空氣電池 101參考文獻 102 第7章 二次鋁--空氣電池.106 7.1 電解液 106 7.1.1 離子液體電解液 106 7.1.2 固體電解質 112 7.2 空氣電極氧還原與析出過程 115 7.3 空氣電極催化材料 117 7.3.1 碳基催化材料 117 7.3.2 氧化物基催化材料 119 7.3.3 非氧化物基材料 123 7.3.4 金屬–有機框架材料 124 參考文獻 126 第8章 鋁--空氣電池未來挑戰(zhàn)與展望 133 8.1 空氣電極材料鋁負極材料 133 8.2 空氣電極材料 134 8.3 電解質添加劑 135 8.4 鋁–空氣電池系統(tǒng)及循環(huán)管理 135 第三部分 水系鋁電池 第9章 水系鋁電池基礎與原理 139 9.1 水系鋁電池工作原理139 9.1.1 嵌入/脫出機理 139 9.1.2 電化學轉換機理 143 9.2 水系鋁電池結構與組件 147 9.2.1 單一性鋁鹽電解液 149 9.2.2 含功能性添加劑的電解液 150 9.2.3 凝膠聚合物電解質 150 9.3 水系鋁電池的應用前景 152 參考文獻 153 第10章 水系鋁電池電解質 157 10.1 水系鋁電池電解質簡介 157 10.2 電解質的熱力學分析.159 10.3 液體電解質.161 10.3.1 堿性溶液電解質 16210.3.2 強酸性溶液電解質 163 10.4 凝膠聚合物電解質 174 參考文獻 177 第11章 水系鋁電池負極材料 180 11.1 水系鋁電池負極材料簡介 180 11.2 鈍化膜與析氫反應 180 11.3 鋁負極 181 11.3.1 離子液體預處理鋁負極構建SEI膜 181 11.3.2 采用“鹽包水”電解質構建SEI膜 184 11.4 鋁合金材料 185 11.5 金屬氧化物 186 11.5.1 TiO2 186 11.5.2 MoO3 191 11.5.3 其他氧化物 193 11.6 有機類材料 194 11.6.1 有機聚合物負極 194 11.6.2 有機小分子負極 195 參考文獻 196 第12章 水系鋁電池正極材料 199 12.1 水系鋁電池正極材料簡介 199 12.2 過渡金屬氧化物 200 12.2.1 釩系電極材料 200 12.2.2 錳系電極材料 204 12.2.3 鉍系電極材料 207 12.2.4 鎢系電極材料 209 12.3 普魯士類結構電極材料 212 12.3.1 CuHCF框架電極材料 213 12.3.2 FeFe(CN)6框架電極材料 215 12.3.3 六氰基鐵酸鎳鉀(KNHCF)框架電極材料 219 12.3.4 六氰鐵酸鈷鉀(K2CoFe(CN)6)框架電極材料 221 12.3.5 K2CuFe(CN)6框架電極材料 227 12.3.6 Na1.68Mn[Fe(CN)6] 1.7H2O(NMHCF)框架電極材料 230 12.3.7 Mn4[Fe(CN)6]2.88Δ0.29 11.8H2O 框架電極材料 232 12.4 碳材料 235 12.5 有機材料 23612.5.1 吩嗪有機正極材料 236 12.5.2 醌類有機材料 239 參考文獻 241 第13章 水系鋁電池未來挑戰(zhàn)與展望 244 13.1 水系鋁電池面臨的挑戰(zhàn) 244 13.1.1 材料層面 244 13.1.2 電解質方面 248 13.1.3 電池結構方面 250 13.2 水系鋁電池的發(fā)展方向 252 13.2.1 鋁電池實際評估與應用 252 13.2.2 未來發(fā)展預期 254 參考文獻 255 第四部分 非水系鋁電池 第14章 非水系鋁電池基礎與原理 261 14.1 非水系鋁電池的電化學反應原理 261 14.1.1 嵌入/脫出機理 261 14.1.2 吸附/脫附機理 263 14.1.3 電化學轉化機理 264 14.2 非水系鋁電池的熱力學與動力學 265 14.2.1 非水系鋁電池熱力學分析 265 14.2.2 非水系鋁電池動力學分析 267 14.2.3 熱力學和動力學理解 273 參考文獻 274 第15章 非水系鋁電池電解質 278 15.1 非水系鋁電池電解質簡介 278 15.2 非水系電解液物理化學性質 279 15.3 離子液體電解液 279 15.3.1 AlCl3/咪唑類離子液體 280 15.3.2 AlCl3/季銨鹽類離子液體 282 15.3.3 AlCl3/吡啶類離子液體 284 15.3.4 其他新型常溫電解液 285 15.4 熔融鹽電解質 287 15.4.1 AlCl3基二元體系 28815.4.2 AlCl3基三元體系 290 15.4.3 AlCl3基四元體系 292 15.5 固態(tài)電解質 294 15.5.1 聚合物骨架的選擇 296 15.5.2 增塑劑的影響 297 參考文獻 310 第16章 非水系鋁電池正極材料 315 16.1 非水系鋁電池正極材料簡介 315 16.2 碳材料 315 16.2.1 石墨紙 315 16.2.2 泡沫石墨 318 16.2.3 膨脹石墨 320 16.2.4 自然石墨 321 16.2.5 無定形碳轉化石墨 322 16.2.6 石墨烯 324 16.2.7 碳納米籠 327 16.2.8 碳納米纖維 328 16.2.9 金屬–有機框架化合物衍生多孔碳 329 16.2.10 多孔碳材料 330 16.3 氧化物 331 16.3.1 氧化釩 332 16.3.2 氧化鈦 334 16.3.3 氧化鈷 335 16.3.4 氧化錫 337 16.3.5 氧化銅 338 16.3.6 氧化錳 339 16.3.7 氧化鎢 339 16.3.8 氧化碲 340 16.4 硫及硫化物 340 16.4.1 硫單質 340 16.4.2 硫化鐵 341 16.4.3 硫化鎳 342 16.4.4 硫化銅 344 16.4.5 硫化釩 344 16.4.6 硫化鉬 34616.4.7 硫化鈦 349 16.4.8 硫化錫 350 16.4.9 鎳鈷硫化物 351 16.5 硒及硒化物 353 16.5.1 硒正極材料 353 16.5.2 非水系硒化物正極材料 357 16.6 碲及碲化物 362 16.6.1 碲正極材料 362 16.6.2 過渡金屬碲化物正極材料 366 16.7 銻單質 368 16.8 有機類材料 370 16.8.1 導電高分子 370 16.8.2 含C=O有機材料 376 16.8.3 含C≡N有機材料 379 16.8.4 其他有機材料 380 16.9 其他材料 381 16.9.1 金屬有機骨架 381 16.9.2 硼化鈷 383 16.9.3 磷及磷化物 384 16.9.4 氯化物 388 16.9.5 MXene 388 參考文獻 389 第17章 非水系鋁電池負極材料 397 17.1 非水系鋁電池負極材料簡介 397 17.2 鋁負極腐蝕機理 398 17.2.1 鈍化膜 399 17.2.2 腐蝕溶解 400 17.2.3 枝晶 402 17.3 碳基負極材料 402 17.3.1 石墨負極 402 17.3.2 碳布負極 404 17.3.3 氮摻雜碳棒陣列負極 406 17.4 其他負極材料 407 17.4.1 合金負極 407 17.4.2 液態(tài)金屬鎵負極 411參考文獻 412 第18章 非水系鋁電池非活性材料415 18.1 非水系鋁電池非活性材料簡介 415 18.2 集流體 415 18.2.1 金屬集流體 416 18.2.2 碳質集流體 420 18.2.3 其他非金屬集流體 422 18.3 黏結劑 424 18.3.1 PVDF 失活機理 424 18.3.2 其他黏結劑 426 18.4 隔膜 429 18.4.1 玻璃纖維隔膜 429 18.4.2 聚丙烯腈隔膜 429 18.4.3 CMK-3涂層改性隔膜 431 參考文獻 432 第19章 非水系鋁電池原位表征技術與模擬仿真 434 19.1 簡介 434 19.2 原位成像技術 434 19.2.1 原位SEM 435 19.2.2 原位TEM 436 19.2.3 原位X射線層析成像技術 438 19.2.4 原位AFM 438 19.2.5 原位光學成像技術 440 19.3 原位光譜技術 442 19.3.1 原位 XRD 442 19.3.2 原位Raman 444 19.3.3 原位XPS 446 19.4 在線氣體分析技術 447 19.5 第一性原理計算 449 19.6 模擬仿真在非水系鋁電池中的應用 452 參考文獻 455 第20章 非水系鋁電池未來挑戰(zhàn)與展望 457 20.1 非水系鋁電池總結 457 20.2 非水系鋁電池面臨的挑戰(zhàn) 457 20.2.1 材料層面 45720.2.2 電池